德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所(Max Planck Institute For Chemical Physical Of Solid)、普林斯頓大學(xué)(Princeton University)、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)和中國科學(xué)院大學(xué)(University Of The Chinese Academy Of Sciences)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)眾所周知難以捉摸的粒子：軸子。

42年前，軸子首次被預(yù)測(cè)為基本粒子，是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展。其研究驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《自然》期刊上，研究小組在相關(guān)Weyl（外爾）半金屬(TaSe4)2i中發(fā)現(xiàn)了由Weyl類型電子(Weyl Fermions)組成的軸子粒子特征。

在室溫下，(TaSe4)2i是一維晶體，其中電流由Weyl Fermions傳導(dǎo)。然而，通過將(TaSe4)2i冷卻到-11攝氏度以下，這些Weyl Fermions本身凝聚成晶體，即所謂的“電荷密度波”，扭曲了原子的底層晶格。最初自由的Weyl費(fèi)米子現(xiàn)在是局域化的，并且初始Weyl半金屬(TaSe4)2i成為軸子絕緣體。與金屬原子晶體中自由電子的存在類似，Weyl半金屬基電荷密度波晶體具有可以傳導(dǎo)電流的軸子。

然而，這種軸子的行為與電子有很大不同，當(dāng)接觸到平行的電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，它們對(duì)磁電導(dǎo)率產(chǎn)生反常的正貢獻(xiàn)。根據(jù)普林斯頓大學(xué)Andrei Bernevig小組的預(yù)測(cè)，德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所的Claudia Felser小組產(chǎn)生了電荷密度波Weyl metalloid(TaSe4)2i，并研究了這種材料在電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響下的導(dǎo)電情況。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種材料中低于-11攝氏度的電流實(shí)際上是由軸子粒子攜帶。軸子絕緣體是一個(gè)相關(guān)的拓?fù)湎?，預(yù)計(jì)會(huì)在Weyl半金屬中形成電荷密度波。

在電荷密度波相中伴隨的滑動(dòng)模。預(yù)計(jì)會(huì)引起反常的磁電輸運(yùn)效應(yīng)。然而，到本研究發(fā)現(xiàn)前，這種軸子電荷密度波還沒有被實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到。研究的主要作者之一Claudia Felser說：我認(rèn)為我們知道的材料突然顯示出如此有趣的量子粒子，這是非常令人驚訝的。在實(shí)驗(yàn)中研究軸子粒子的新特性，可以讓科學(xué)家更好地理解量子粒子的神秘領(lǐng)域，并開拓高度相關(guān)的拓?fù)洳牧项I(lǐng)域。約翰尼斯·古思說：我畢生夢(mèng)想的另一塊積木，就是用固體中的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)天文和高能物理的想法。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1630-4

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